煙氣分析儀的原理檢測

1 前言
隨著我國對大氣污染防治的力度逐年加大，在國內(nèi)已經(jīng)逐漸建立起對污染物的排放監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，連續(xù)污染物排放監(jiān)測系統(tǒng)CEMS系統(tǒng)的安裝總數(shù)也接近兩萬套。如何有效監(jiān)測系統(tǒng)的可靠運行，監(jiān)測數(shù)據(jù)真實有效成為了環(huán)保和監(jiān)測部門的重要關(guān)注點。

便攜的煙氣分析儀應(yīng)用于監(jiān)測系統(tǒng)的比對和校驗，以監(jiān)測結(jié)果的可靠性。實際應(yīng)用中大多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)采用了電化學(xué)測量原理或非分光紅外原理的氣體分析方法。

2 測量方法和原理

主流的煙氣分析儀大多采用電化學(xué)和非分光紅外的測試原結(jié)合。 目前國內(nèi)市場的煙氣分析儀還是以進口為主，側(cè)重儀器性能及精度的話，則是以德國益康J2KN煙氣分析儀為。

2.1電化學(xué)測試原理

電化學(xué)測試方法又稱為定電位電解法，是國家對二氧化硫的標(biāo)準(zhǔn)測定方法之一。（HJ/T 57-2000《固定污染源排氣中二氧化硫的測定 定電位電解法》）。

其核心器件電化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1。
 

 

圖1   電化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)

二氧化硫（SO2）擴散通過傳感器滲透膜，進入電解層，在恒電位工作電極上發(fā)生氧化反應(yīng)；由此產(chǎn)生極限擴散電流，在一定范圍內(nèi)，其電流大小與二氧化硫濃度成正比。

電化學(xué)傳感器還可廣泛應(yīng)用于一氧化氮、氯化氫、硫化氫等氣體的測定。由于傳感器的制作對工藝和材料的特殊要求，目前仍然主要依賴進口。

2.2非分光紅外測試原理

非分光紅外氣體測試方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。其核心部件紅外傳感器根據(jù)應(yīng)用特點的不同，又可分為雙光束、微流、微音器等不同類型。固定污染源監(jiān)測系統(tǒng)中使用的是微流紅外傳感器，可實現(xiàn)對二氧化硫、一氧化氮、一氧化碳等主要污染物的測定。近年來，環(huán)保等相關(guān)部門也開始著手非分散紅外測定方法的標(biāo)準(zhǔn)制定，以規(guī)范測試方法的應(yīng)用。

紅外微流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2。

 

  圖2 微流紅外傳感器的結(jié)構(gòu)

微流紅外傳感器技術(shù)的工作原理為：紅外光源①發(fā)出的紅外光，經(jīng)過切光器②調(diào)制頻率后，進入測量氣室④；由于二氧化硫等異種原子構(gòu)成的分子對紅外光具有吸收特性，若測量氣室④中存在上述氣體，則進入測量氣室的部分紅外光會被吸收，未被吸收的紅外光進入檢測器⑤。檢測器⑤由前氣室、后氣室、微流傳感器⑥組成，前、后氣室充滿待測組分的氣體。在紅外光的作用下，檢測器前、后氣室中的氣體發(fā)生膨脹；由于存在膨脹差異，會導(dǎo)致前、后氣室之間產(chǎn)生微小的流量；微流傳感器⑥檢測到該流量后，產(chǎn)生交流電壓信號，信號經(jīng)處理后得到氣體的濃度。

3電化學(xué)分析儀的應(yīng)用分析

電化學(xué)分析儀具有小型、輕便、快捷等優(yōu)點，在我國應(yīng)用較多。但國內(nèi)傳感器制作技術(shù)有限，大部分仍需進口傳感器，使用成本較大。實際使用中電化學(xué)儀器還會普遍存在取樣流量、氣體交叉干擾以及前處理等方面的問題。

3.1 取樣流量對電化學(xué)儀器的影響

采用電化學(xué)傳感器設(shè)計的煙氣分析儀，不論是國產(chǎn)儀器，還是國外進口儀器，在使用過程中經(jīng)常碰到“測不準(zhǔn)”問題，即在實驗室測試標(biāo)準(zhǔn)氣體是好的，到了現(xiàn)場卻測不準(zhǔn)。這是因為，電化學(xué)傳感器對流速的變化極為敏感。通常電化學(xué)類煙氣分析儀的測試讀數(shù)與采氣流速呈“正相關(guān)”。

HJ/T 57-2000《固定污染源排氣中二氧化硫的測定 定電位電解法》標(biāo)準(zhǔn)特別強調(diào)：“采氣流速的變化直接影響儀器的測試讀數(shù)”。

國家環(huán)境監(jiān)測總站《火力發(fā)電業(yè)建設(shè)項目竣工環(huán)境保護驗收監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中也寫道：“定電位電解法監(jiān)測儀器對采樣流量要求甚嚴，監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示與采樣流量的變化成正比，當(dāng)儀器采樣流量減小時（例如煙道負壓大于儀器抗負壓能力），監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯變小。在使用時為了減少測定誤差，儀器的工作流量應(yīng)與標(biāo)定（校準(zhǔn)）時的流量相等”。

而煙道內(nèi)煙氣，既有正壓工況的，也有負壓工況的，甚至存在壓力忽大忽小的變化工況。情況下，有些煙道還存在很大的負壓（如寶鋼燒結(jié)機頭負壓=20kPa）。針對大多數(shù)煙道負壓的情況居多，德國益康J2KN煙氣分析儀配置了大功率取樣氣泵。這一措施有效避免了抽不出氣的問題，從而改變“負壓降低采氣流速”的問題。而同類品牌不少煙氣分析儀則因為抽力不夠，遇到煙道負壓工況時，檢測示值一定低于實際氣體濃度。也就是說，只要你現(xiàn)場采氣流速不等于實驗室標(biāo)定流速，測試示值肯定不準(zhǔn)。因此，選擇煙氣分析儀時，抽氣量是我們不得不考慮的一個重要因素。

而現(xiàn)場測試過程中，流速對測量結(jié)果的影響往往難以暴露，只有當(dāng)測試數(shù)據(jù)明顯偏離時才會引起注意。所以對儀器操作人員提出了較高的要求，必須嚴格控制儀器標(biāo)定和采樣的流量，盡量保持一致。

3.2 氣體交叉干擾對電化學(xué)儀器的影響

電化學(xué)傳感器通過設(shè)置不同的電極電位，使得傳感器對應(yīng)某一特定氣體敏感，從而達到測定的目的。但對于電極電位相似的氣體，會產(chǎn)生交叉干擾。

提供電化學(xué)傳感器的城市科技公司也明確給出了氣體交叉干擾的參考數(shù)據(jù)：